Lasertechnologie: Neuer Trick ermöglicht Infrarot-Laserpulse

Mit Infrarotlicht kann man viele wichtige Moleküle nachweisen – doch starke, kurze Laserpulse in diesem Bereich waren bisher nur mit großem Aufwand möglich. An der TU Wien fand man eine Lösung.

Gewöhnliche Festkörperlaser, wie man sie von Laser-Pointern kennt, erzeugen Licht im sichtbaren Bereich. Für viele Anwendungen, etwa zum Detektieren von Molekülen, braucht man allerdings Strahlung im mittleren Infrarotbereich. Solche Infrarot-Laser sind deutlich schwieriger herzustellen, besonders dann, wenn man die Laserstrahlung in Form von extrem kurzen, intensiven Pulsen benötigt.

Lange wurde nach Methoden gesucht, solche Infrarot-Laserpulse zu produzieren – an der TU Wien ist das nun in Zusammenarbeit mit der Harvard University gelungen. Die Technik benötigt keine großen Versuchsaufbauten, sie ist gut miniaturisierbar und daher für praktische Anwendungen besonders interessant. Vorgestellt wurden die neuen Ergebnisse nun im Fachjournal „Nature Communications“.

Der Frequenzkamm

„Wir erzeugen Laserlicht im mittleren Infrarotbereich mit maßgeschneiderten Quantenkaskadenlasern, die im hochmodernen Nano-Center der TU Wien hergestellt werden“, sagt Johannes Hillbrand vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien, Erstautor der Studie. Während bei gewöhnlichen Festkörperlasern die Art des ausgesendeten Lichts von den Atomen im Material abhängt, sind im Quantenkaskadenlaser winzige Strukturen im Nanometerbereich entscheidend. Durch passendes Design dieser Strukturen kann man die Wellenlänge des Lichts genau anpassen.

„Unsere Quantenkaskadenlaser liefern nicht nur eine einzige Lichtfarbe, sondern eine ganze Reihe verschiedener Frequenzen“, sagt Ass.-Prof. Benedikt Schwarz, der die Forschungsarbeit im Rahmen seines mit einem ERC-Grant finanzierten Projektes leitete. „Diese Frequenzen sind sehr regelmäßig angeordnet, mit immer gleichen Abständen dazwischen, wie die Zähne eines Kamms. Daher spricht man in diesem Fall von einem Frequenzkamm.“

Licht ist wie Schaukeln

Entscheidend ist aber nicht nur, welche Frequenzen ein solcher Quantenkaskadenlaser abstrahlt, sondern auch mit welcher Phase die jeweiligen Lichtwellen schwingen. „Man kann sich das so ähnlich vorstellen, wie zwei Schaukeln, die man mit einem Gummiband verbindet“, erklärt Johannes Hillbrand. „Sie können entweder genau parallel hin und her schwingen, oder aber genau entgegengesetzt, sodass sie zueinander schwingen und dann wieder voneinander weg. Und diese beiden Schwingungsmoden haben geringfügig unterschiedliche Frequenzen.“

Beim Laserlicht, das sich aus unterschiedlichen Wellenlängen zusammensetzt, ist das ganz ähnlich: Die einzelnen Lichtwellen des Frequenzkamms können genau parallel zueinander schwingen – dann überlagern sie sich auf optimale Weise und können kurze, intensive Laserpulse erzeugen. Oder sie schwingen jeweils entgegengesetzt, dann entsteht Laserlicht mit einer nahezu kontinuierlichen Intensität.

Der Licht-Modulator

„In Quantenkaskadenlasern war es bisher nur schwer möglich, zwischen diesen beiden Varianten hin und her zu schalten“, sagt Johannes Hillbrand. „Wir haben allerdings in unseren Quantenkaskadenlaser einen winzigen Modulator eingebaut, an dem die Lichtwellen immer wieder vorbeikommen.“ An diesen Modulator legt man eine elektrische Wechselspannung an. Je nach Frequenz und Stärke dieser Spannung kann man unterschiedliche Lichtschwingungen im Laser anregen. „Wenn man diesen Modulator genau mit der richtigen Frequenz ansteuert, dann kann man erreichen, dass die unterschiedlichen Frequenzen unseres Frequenzkamms alle genau im gleichen Takt schwingen“, sagt Benedikt Schwarz. „Dadurch wird es möglich, diese Frequenzen zu kurzen, intensiven Laserpulsen zusammenzufügen – und zwar mehr als 12 Milliarden mal pro Sekunde.“

Dieses Maß an Kontrolle über kurze Infrarot-Laserpulse war bisher mit Halbleiterlasern nicht möglich. Ähnliche Arten von Licht konnte man allenfalls mit sehr aufwändigen und verlustreichen Methoden erzeugen. „Unsere Technologie hat den entscheidenden Vorteil, dass sie miniaturisierbar ist“, betont Benedikt Schwarz. „Man könnte daraus kompakte Messgeräte bauen, die mit diesen speziellen Laserstrahlen beispielsweise nach ganz bestimmten Molekülen in einer Gasprobe suchen.“ Durch die hohe Lichtintensität der Laserpulse sind auch Messungen möglich, für die man zwei Photonen gleichzeitig benötigt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Benedikt Schwarz
Institut für Festkörperelektronik
Technische Universität Wien
Gußhausstraße 25, 1040 Wien
+43 1 58801 36214
benedikt.schwarz@tuwien.ac.at

Originalpublikation:

J. Hillbrand et al., Mode-locked short pulses from an 8 μm wavelength semiconductor laser, Nature Communications 11, 5788 (2020).
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19592-1

https://www.tuwien.at/tu-wien/aktuelles/news/news/lasertechnologie-neuer-trick-ermoeglicht-infrarot-laserpulse/